松子采摘装置研究

张伟 倪子璇 张电宝 祖奔红 戴澳双

摘要：松子具有丰富的营养和保健功能，目前其采摘方式主要靠人工爬树、机器震动以及人站在吊篮这三种方式。分析这几种方式的优缺点后，提出了一种基于无人机的松子采摘方法。该方法是以无人机为本体，其下方悬挂根据松塔形状特制的U型割刀。工作时无人机飞到松塔的上方，通过控制将U型割刀插入松塔的根部，再通过飞升将松塔摘下。

关键词：松子;人工采摘;机械振动;无人机;U型割刀

1.背景

松子又称做松籽、红松果等，是名贵树种红松的种子，主要产自于我国东北部长白山、小兴安岭等山林地区。《本草纲目》记载：松仁性温、味甘、无毒、主治关节风湿、头眩、润五脏、逐风痹寒气、补体虚、滋润皮肤、久服轻身不老。现代研究表明摘要：松子中含有丰富的营养成分，其中不饱和脂肪酸、氨基酸、多糖为重要的生物活性成分，在免疫调节、减肥降脂、抗氧化、抗衰老等方面发挥着重要作用[1]。红松生长五十年后才能结籽，需两年果实才可成熟食用，因此松子极为珍贵，所以红松种子成熟时，需及时采摘避免损失。

2.松子采摘现状

红松松龄可达五百年之久，一般来说天然野生红松林生长80至200年生林结实株数占91%以上，人工栽培红松林生长40至80年结实株数占90%以上。红松果实多数位于树冠顶端、少数位于侧枝末端，树高大挺拔，树高约25米左右，果实于9月初至10月上旬成熟，当球果由绿色变成黄绿色，部分种鳞开裂，进入初熟期，此后种鳞逐渐变黄，个别球果开始脱落，便达到果成熟期，可以采摘。目前松果的采摘方式有人工采摘、机器采摘以及人工与机器配合采摘。

（1）人工爬树采摘

松塔成熟后，采摘工人们借助专业的爬树工具爬上十几米高的松树，把松塔一个一个打下来，下面的工人负责收集装袋。因为红松球果都结在树冠最顶端和侧枝最末端，整个采收过程缓慢又不安全，每年都有采摘工人发生意外事故，从树上跌落下来受伤，甚至丧失了生命。社会的发展进步，使从事采摘红松种子的工人也在逐年减少[2]。

（2）机器采摘

东北林业大学发明一种针叶树球果采摘五自由度机器人，它包括下手爪、下回转臂、下俯仰臂、上俯仰臂、上回转臂、上手爪、振动采摘器组成，如图1所示。它类似蛇缠绕在树上，通过震动器的震动来采摘[3]。

如之前所述红松球果都结在树冠最顶端和侧枝最末端，该款采摘设备采集效果不是很理想。

（3）央视《我爱发明》中发明人设计了一款采摘设备，利用液压泵提供动力来震动松树，通过震动的方式来进行采摘松塔，如图2所示[4]。

该设备是由拖拉机带动体积较大，对于树林密集的山丘很难上去，震动过程中刮破树皮，影响树木生长，行进过程中对森林植被有破坏。

（4）济宁国沃制造一种便于操作的松塔采摘机，其前端设置有长杆支撑的吊篮，人可以站在吊篮上进行松塔的采摘，如图3所示。

通过图片可以看出其为液压高空操作平台，整个设备体积庞大，林区内没有路，山的坡度陡，不容易把设备运进高山[5]。

3.无人机松子采摘原理

根据红松树高约25米左右，松塔多数位于树冠顶端、少数位于侧枝末端的特点，决定用无人机采摘。松塔形式宝塔，设计一款U型刀片通过导杆搭载在无人机下方，无人机通过图像识别出成熟松塔，把U型刀片卡在松塔根部，再通过升高将松塔采摘下来。

3.1 多旋翼无人机

多旋翼无人机主要靠多个旋翼产生的升力让无人机起飞，具有垂直起降、空中悬停、操作简单等优点，在农业中，多旋翼无人机的应用领域也已涉及粮食估产、作物种类识别、作物长势监测、农药喷施等领域[6]。

3.2 松塔收割刀

根据松塔的形狀设计出如下图5所示为U型割刀，其两内侧为刀口，其悬挂在直升机的下方，通过调整将该割刀插入松塔的底部，并通过直升机的飞升将松塔摘下。

4.总结

通过分析松塔现有的采摘方式，提出一种基于无人机的采摘方式，该方法能够有效避免人工上树的危险性和大型机械上山的困难性。

参考文献：

[1]刘迪迪，李景彤，程翠林，等.红松松子中生物活性成分研究与开发[J].食品研究与开发，2017（23）：216-219.

[2]李立夫，董宝丹.松树球果采摘机的使用[J].农民致富之友，2018，No.584（15）：176-176.

[3]文龙，薛伟.一种针叶树球果采摘机器人：CN208425223 U[P].2019.

[4]我爱发明.巧摘松果[EB/OL].2020[2021.10.16].http：//tv.cctv.com /2020/11/10/VIDEg9U3HhVdsm34tvGfT5Lo201110.shtml.

[5]爱采购.国沃松子采摘用伸缩臂 [EB/OL].2017.03.10[2021. 10.16].https：//b2b.baidu.com/land？id=924565e667504adaddf9eda1468ad3 7f10.

[6]陈鹏飞.无人机在农业中的应用现状与展望[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2018（4）：399-406.

作者简介：张伟（1990.12），男，汉族，安徽·蒙城人，硕士，讲师  研究方向 ：机械设计。

倪子璇（2000.11），女，汉族，安徽省黄山市祁门县人

张电宝（1999.4.28），男，汉族，安徽省宿州市灵璧县人

祖奔红（1999.10.05），男，汉族，安徽马鞍山市当涂县县人

戴澳双（1999.09.25），男，汉族，安徽省和县人

工作单位：皖西学院，学生

研究方向：机械设计。

基金项目：校级+皖西学院2020省级大学生创新训练项目（wxxy2020132）+松子采摘机器人研究

2020年校级教学研究一般项目：皖西学院2020校级大学生创新训练项目+松子采摘机器人研究+006020121226